FR3133105A1 - Thermoelectric module and associated heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Module thermoélectrique et échangeur thermique associé La présente invention concerne un module thermoélectrique (1) comprenant :- une première (3a) et une deuxième (3b) couches supports en matériau polymère,- un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports,- un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,dans lequel les ensembles de pistes métalliques (5a, 5b) sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N, et dans lequel au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.Thermoelectric module and associated heat exchanger The present invention relates to a thermoelectric module (1) comprising: - a first (3a) and a second (3b) support layers of polymer material, - a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metal tracks arranged respectively on the first (3a) and the second (3b) support layers, - a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first (5a) and the second (5b) sets of conductive metal tracks, in which the sets of metal tracks (5a, 5b) are configured to connect in series the set of thermoelectric pads (7) with an alternation of P-type and N-type pads, and in which at least one of the first (3a) and second (3b) support layers is made of a material having a melting temperature greater than 220°C and has a thickness less than 200 μm, in particular between 100 μm and 150 μm.
Description
La présente invention concerne le domaine des modules thermoélectriques comprenant des éléments thermoélectriques permettant notamment de créer un gradient de température entre deux de leurs faces opposées lorsqu’ils sont alimentés par un courant électrique selon le phénomène connu sous le nom d’effet Peltier.The present invention relates to the field of thermoelectric modules comprising thermoelectric elements making it possible in particular to create a temperature gradient between two of their opposite faces when they are powered by an electric current according to the phenomenon known as the Peltier effect.
De tels modules thermoélectriques peuvent être utilisés dans de nombreuses applications et notamment dans des dispositifs de régulation thermique de véhicules automobiles pour améliorer le confort des passagers en produisant une adaptation rapide de la température de l’habitacle.Such thermoelectric modules can be used in numerous applications and in particular in thermal regulation devices of motor vehicles to improve passenger comfort by producing rapid adaptation of the temperature of the passenger compartment.
Pour cela, les modules thermoélectriques de l’état de la technique comprennent généralement des substrats en céramique sur lesquels sont déposées des pistes métalliques. Des plots thermoélectriques sont alors brasés sur les pistes métalliques.For this, the thermoelectric modules of the state of the art generally comprise ceramic substrates on which metal tracks are deposited. Thermoelectric pads are then brazed onto the metal tracks.
Cependant, les substrats céramiques doivent avoir des propriétés électriques isolantes et thermiques conductrices. Un exemple d’une telle céramique est le nitrure d’aluminium (AlN) mais ces céramiques sont très coûteuses.However, ceramic substrates must have electrically insulating and thermally conductive properties. An example of such a ceramic is aluminum nitride (AlN) but these ceramics are very expensive.
De plus, les substrats céramiques ont une grande rigidité ce qui les rend peu résilients vis à vis des vibrations ou déformations qui peuvent être imposées par les conduits sur lesquels sont fixés les substrats céramiques.In addition, ceramic substrates have great rigidity which makes them not very resilient to vibrations or deformations which can be imposed by the conduits on which the ceramic substrates are fixed.
La présente invention vise donc à résoudre au moins partiellement les problèmes de l’état de la technique et à proposer une solution pour réduire les coûts de fabrication des modules thermoélectriques, faciliter leur procédé de fabrication, et améliorer leur résistance aux déformations et vibrations notamment pour une utilisation dans un échangeur thermique.The present invention therefore aims to at least partially resolve the problems of the state of the art and to propose a solution for reducing the manufacturing costs of thermoelectric modules, facilitating their manufacturing process, and improving their resistance to deformation and vibration, particularly for use in a heat exchanger.
A cet effet, la présente invention concerne un module thermoélectrique comprenant :
- une première et une deuxième couches supports en matériau polymère,
- un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première et la deuxième couches supports,
- un ensemble de plots thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N et dans lequel au moins une des première et deuxième couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.For this purpose, the present invention relates to a thermoelectric module comprising:
- a first and a second support layers made of polymer material,
- a first and a second set of conductive metal tracks arranged respectively on the first and second support layers,
- a set of thermoelectric pads made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first and second sets of conductive metal tracks,
in which the sets of metal tracks are configured to connect in series the set of thermoelectric pads with an alternation of P-type and N-type pads and in which at least one of the first and second support layers is made of a material having a melting temperature greater than 220°C and has a thickness less than 200 μm, in particular between 100 μm and 150 μm.
L’utilisation d’une couche support en matériau polymère avec une épaisseur réduite permet d’obtenir une couche support flexible qui peut s’adapter facilement à une forme de conduit (sur lequel est fixé la couche support pour former un échangeur thermique) et qui peut résister à des déformations du conduit au cours du temps, notamment en raison des gradients de température répétés.The use of a support layer of polymer material with reduced thickness makes it possible to obtain a flexible support layer which can easily adapt to a shape of conduit (on which the support layer is fixed to form a heat exchanger) and which can resist deformation of the conduit over time, particularly due to repeated temperature gradients.
Selon un aspect de la présente invention, le module d’élasticité des couches supports est supérieur ou égal à 60GPa.According to one aspect of the present invention, the modulus of elasticity of the support layers is greater than or equal to 60GPa.
Selon un aspect de la présente invention, au moins une des première et deuxième couches supports est réalisée en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ». L’utilisation de polyimide ou polynaphtalate d’éthylène permet d’obtenir une couche support dont la température de fusion est supérieure à 220°C et dont la flexibilité permet de s’adapter à de nombreuses formes de conduit (sur lequel est fixé la couche support pour former un échangeur thermique).According to one aspect of the present invention, at least one of the first and second support layers is made of polyimide “PI” or polyethylene naphthalate “PEN”. The use of polyimide or polyethylene naphthalate makes it possible to obtain a support layer whose melting temperature is greater than 220°C and whose flexibility makes it possible to adapt to numerous shapes of conduit (on which the layer is fixed support to form a heat exchanger).
Selon un autre aspect de la présente invention, au moins une de la première et la deuxième couches supports comprend une pluralité de trous reliant une première face à une deuxième face de ladite au moins une de la première et la deuxième couches supports, la surface des trous étant recouverte d’une couche d’un matériau conducteur thermiquement pour former un via traversant assurant un transfert thermique entre la première et la deuxième faces des première et deuxième couches supports.According to another aspect of the present invention, at least one of the first and second support layers comprises a plurality of holes connecting a first face to a second face of said at least one of the first and second support layers, the surface of the holes being covered with a layer of a thermally conductive material to form a through via ensuring thermal transfer between the first and second faces of the first and second support layers.
La présence de vias traversants permet d’améliorer la conduction thermique entre les faces des couches supports.The presence of through vias makes it possible to improve thermal conduction between the faces of the support layers.
Selon un autre aspect de la présente invention, au mois une des première et deuxième couches supports est une couche multi-étagée comprenant un empilement de sous-couches en matériau polymère sur lesquelles sont ménagées des pistes conductrices électriquement, lesdites pistes conductrices électriquement permettant la conduction de signaux électriques indépendants.According to another aspect of the present invention, at least one of the first and second support layers is a multi-stage layer comprising a stack of sub-layers of polymer material on which electrically conductive tracks are provided, said electrically conductive tracks allowing conduction independent electrical signals.
Selon un autre aspect de la présente invention, les vias traversants s’étendent sur tous les étages de l’empilement de sous-couches en matériau polymère.According to another aspect of the present invention, the through vias extend over all the stages of the stack of sub-layers of polymer material.
Selon un autre aspect de la présente invention, le module thermoélectrique comprend également des patins en matériau conducteur thermiquement configurés pour venir se positionner dans les vias traversants.According to another aspect of the present invention, the thermoelectric module also comprises pads made of thermally conductive material configured to be positioned in the through vias.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche de matériau conducteur thermiquement vient en contact avec les pistes métalliques conductrices et dans lequel la couche de matériau conducteur thermiquement comprend des discontinuités de manière à éviter un court-circuit entre deux pistes métalliques conductrices distinctes.According to another aspect of the present invention, the layer of thermally conductive material comes into contact with the conductive metal tracks and in which the layer of thermally conductive material comprises discontinuities so as to avoid a short circuit between two distinct conductive metal tracks.
Selon un autre aspect de la présente invention, les trous des première et deuxième couches supports sont remplis de matériau conducteur thermiquement pour former des vias pleins.According to another aspect of the present invention, the holes of the first and second support layers are filled with thermally conductive material to form solid vias.
Selon un autre aspect de la présente invention, les plots thermoélectriques sont brasés sur les ensembles de pistes métalliques conductrices.According to another aspect of the present invention, the thermoelectric pads are brazed onto the sets of conductive metal tracks.
La présente invention concerne également un échangeur thermique comprenant :
- un module thermoélectrique tel que décrit précédemment,
- un premier conduit sur lequel est fixée la première couche support et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit sur lequel est fixée la deuxième couche support et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.The present invention also relates to a heat exchanger comprising:
- a thermoelectric module as described previously,
- a first conduit on which the first support layer is fixed and configured to receive a first heat transfer fluid,
- a second conduit on which the second support layer is fixed and configured to receive a second heat transfer fluid.
Selon un autre aspect de la présente invention, le premier conduit est formé par un tube configuré pour recevoir un liquide de refroidissement.According to another aspect of the present invention, the first conduit is formed by a tube configured to receive a cooling liquid.
Selon un autre aspect de la présente invention, le deuxième conduit est formé par un tube configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air.According to another aspect of the present invention, the second conduit is formed by a tube configured to receive a gas, in particular air.
Selon un autre aspect de la présente invention,les première et deuxième couches supports sont collées respectivement sur les premier et deuxième conduits.According to another aspect of the present invention, the first and second support layers are glued respectively to the first and second conduits.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description, given by way of illustrative and non-limiting example, and the appended drawings among which:
Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.In these figures, identical elements bear the same references.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.The following achievements are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference concerns the same embodiment, or that the characteristics only apply to a single embodiment. Simple features of different embodiments may also be combined or interchanged to provide other embodiments.
Dans la description, certains éléments peuvent être indexés, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et de telles dénominations peuvent être aisément interchangées sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.In the description, certain elements can be indexed, such as first element or second element. In this case, it is a simple indexing to differentiate and name close but not identical elements. This indexing does not imply a priority of one element over another and such names can be easily interchanged without departing from the scope of this description. This indexing does not imply an order in time either.
La présente invention concerne un module thermoélectrique. La
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et deuxième couches supports 3a, 3b sont réalisées dans un matériau polymère ayant une température de fusion supérieure à 220°C pour permettre de résister aux différentes étapes de fabrication du module thermoélectrique 1 et notamment l’étape de brasage des plots thermoélectriques 7. Le matériau polymère a de préférence un module d’élasticité supérieur ou égal à 60 GPa. Les première et deuxième couches supports 3a, 3b sont par exemple réalisées en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ». Le matériau polymère des couches supports 3a, 3b a une épaisseur inférieure à 200μm. L’épaisseur est par exemple comprise entre 100μm et 150μm, notamment égale à 120μm.According to one embodiment of the present invention, the first and second support layers 3a, 3b are made of a polymer material having a melting temperature greater than 220°C to make it possible to withstand the different stages of manufacturing the thermoelectric module 1 and in particular the step of brazing the thermoelectric pads 7. The polymer material preferably has an elastic modulus greater than or equal to 60 GPa. The first and second support layers 3a, 3b are for example made of polyimide “PI” or polyethylene naphthalate “PEN”. The polymer material of the support layers 3a, 3b has a thickness of less than 200 μm. The thickness is for example between 100 μm and 150 μm, in particular equal to 120 μm.
L’utilisation de couches supports 3a, 3b d’épaisseur réduite permet d’une part d’améliorer le transfert thermique entre les deux faces des couches supports 3a, 3b et d’autre part de permettre une flexibilité des couches supports 3a, 3b ce qui permet de pouvoir s’adapter à la forme des conduits ou éléments sur lesquels peuvent être disposées les couches supports 3a, 3b et également de mieux résister aux déformations ou vibrations subies au cours du temps notamment sous l’effet des gradients thermiques successifs.The use of support layers 3a, 3b of reduced thickness makes it possible on the one hand to improve the heat transfer between the two faces of the support layers 3a, 3b and on the other hand to allow flexibility of the support layers 3a, 3b this which makes it possible to adapt to the shape of the conduits or elements on which the support layers 3a, 3b can be arranged and also to better resist deformations or vibrations suffered over time, particularly under the effect of successive thermal gradients.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices notés 5a et 5b disposées respectivement sur la première et la deuxième couches support 3a, 3b. Ces ensembles 5a, 5b sont par exemple réalisés en cuivre. Un traitement de surface peut également être appliqué sur le dépôt de cuivre, par exemple un dépôt de nickel par voie autocatalytique puis un dépôt par immersion d’une très fine cuche d’or aussi appelée procédé « electroless Nickel/immersion gold (ENIG) » en anglais ou par étamage par nivelage à air chaud aussi appelé « hot air solder leveling (HASL) en anglais.The thermoelectric module 1 also comprises a first and a second set of conductive metal tracks denoted 5a and 5b arranged respectively on the first and second support layers 3a, 3b. These sets 5a, 5b are for example made of copper. A surface treatment can also be applied to the copper deposit, for example an electroless nickel deposition then an immersion deposition of a very thin layer of gold also called the “electroless Nickel/immersion gold (ENIG)” process. in English or by tinning by hot air leveling also called “hot air solder leveling (HASL) in English.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un ensemble de plots thermoélectriques 7 disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Les plots thermoélectriques 7 sont par exemple fixés sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b par brasage. Une couche de pâte à braser 6 peut être déposée localement sur les pistes métalliques 5a, 5b aux emplacements destinés à recevoir les plots thermoélectriques 7.The thermoelectric module 1 also comprises a set of thermoelectric pads 7 arranged between the first and second sets of conductive metal tracks 5a, 5b. The thermoelectric pads 7 are for example fixed on the conductive metal tracks 5a, 5b by brazing. A layer of solder paste 6 can be deposited locally on the metal tracks 5a, 5b at the locations intended to receive the thermoelectric pads 7.
Certains plots thermoélectriques 7 nommés plots de type P sont réalisés en matériau semi-conducteur de type P et d’autres plots thermoélectriques 7 nommés plots de type N sont réalisés en matériau semi-conducteur de type N.Certain thermoelectric pads 7 called P-type pads are made of P-type semiconductor material and other thermoelectric pads 7 called N-type pads are made of N-type semiconductor material.
Les ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont configurés pour relier en série l’ensemble des plots thermoélectriques 7 avec une alternance de plots de type P et de type N. Le nombre de plots de type P est par exemple égal au nombre de plots de type N. Des câbles électriques reliés à une source de courant peuvent être connectés aux pistes métalliques conductrices 5a, 5b pour permettre l’alimentation du module thermoélectrique 1.The sets of conductive metal tracks 5a, 5b are configured to connect in series all of the thermoelectric pads 7 with an alternation of P-type and N-type pads. The number of P-type pads is for example equal to the number of pads type N. Electric cables connected to a current source can be connected to the conductive metal tracks 5a, 5b to enable the power supply of the thermoelectric module 1.
Comme représenté sur la
Ainsi, l’utilisation de couches supports 3a, 3b en matériau polymère d’épaisseur réduite et d’éventuels vias 9 assurant un transfert thermique à travers les couches supports 3a, 3b en matériau polymère et d’une couche de matériau conducteur thermiquement 11 permet de se passer de substrats céramiques et d’obtenir un module thermoélectrique 1 ayant un coût réduit.Thus, the use of support layers 3a, 3b in polymer material of reduced thickness and possible vias 9 ensuring thermal transfer through the support layers 3a, 3b in polymer material and a layer of thermally conductive material 11 allows to do without ceramic substrates and to obtain a thermoelectric module 1 having a reduced cost.
Les couches supports 3a, 3b peuvent également comprendre des pistes métalliques conductrices 5a, 5b sur leurs deux faces, les pistes métalliques 5a, 5b de la face interne étant par exemple configurées pour alimenter les plots thermoélectriques 7 et les pistes métalliques 5a, 5b de la face externe étant par exemple configurées pour transmettre un signal indépendant de l’alimentation des plots thermoélectriques 7, par exemple un signal associé à une mesure de température d’un plot thermoélectrique 7. Comme dans le mode de réalisation de la
La
De tels modules thermoélectriques 1 peuvent être utilisés dans de nombreuses applications pour permettre notamment un contrôle thermique rapide, par exemple au niveau d’un équipement électronique tel qu’un microprocesseur pour contrôler sa température et limiter son échauffement, au sein d’un conduit pour contrôler la température de l’air circulant dans le conduit, par exemple un conduit de ventilation d’un véhicule automobile, dans un siège pour fournir un siège chauffant, au niveau d’un support de gobelet ou canette (aussi appelé « cupholder » en anglais) pour réguler la température d’un liquide à l’intérieur du gobelet ou de la canette.Such thermoelectric modules 1 can be used in numerous applications to allow in particular rapid thermal control, for example at the level of electronic equipment such as a microprocessor to control its temperature and limit its heating, within a conduit for control the temperature of the air circulating in the duct, for example a ventilation duct of a motor vehicle, in a seat to provide a heated seat, at the level of a cup or can holder (also called "cupholder" in English) to regulate the temperature of a liquid inside the cup or can.
Selon un autre mode de réalisation représenté sur la
Selon une variante de réalisation représentée sur la
Ce deuxième mode de réalisation permet d’améliorer le transfert de chaleur entre les deux faces des couches supports 3a, 3b du fait de l’absence de discontinuités dans la couche de matériau conducteur thermiquement 11 entre les plots thermoélectriques 7 et la face externe des couches supports 3a, 3b.This second embodiment makes it possible to improve the heat transfer between the two faces of the support layers 3a, 3b due to the absence of discontinuities in the layer of thermally conductive material 11 between the thermoelectric pads 7 and the external face of the layers supports 3a, 3b.
La présente invention concerne également un échangeur thermique 20 comme représenté sur la
Le premier conduit 21a est configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur, par exemple un liquide de refroidissement. Le premier conduit 21a est par exemple formé par un tube 22, notamment en aluminium. La première couche support 3a est par exemple collée sur le tube 22.The first conduit 21a is configured to receive a first heat transfer fluid, for example a cooling liquid. The first conduit 21a is for example formed by a tube 22, in particular made of aluminum. The first support layer 3a is for example glued to the tube 22.
Le deuxième conduit 21b est configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, par exemple de l’air dont la température doit être ajustée pour être transmis dans un système de ventilation. Le deuxième conduit 21b est par exemple formé par un tube 23, notamment en aluminium. La deuxième couche support 3b est par exemple collée sur le tube 23. Le deuxième conduit 21b peut comprendre des ailettes de déviation du flux d’air (non représentées) afin de maximiser les échanges thermiques entre l’air circulant dans le deuxième conduit 21b et le module thermoélectrique 1. Les ailettes peuvent être réalisées en métal, notamment en aluminium. Les ailettes peuvent être fixées sur la face interne du deuxième conduit 21b par exemple par soudage, notamment par soudage par friction ou soudage par spots, par collage ou par brasage.The second conduit 21b is configured to receive a second heat transfer fluid, for example air whose temperature must be adjusted to be transmitted into a ventilation system. The second conduit 21b is for example formed by a tube 23, in particular made of aluminum. The second support layer 3b is for example glued to the tube 23. The second conduit 21b may include fins for deflecting the air flow (not shown) in order to maximize the thermal exchanges between the air circulating in the second conduit 21b and the thermoelectric module 1. The fins can be made of metal, in particular aluminum. The fins can be fixed on the internal face of the second conduit 21b for example by welding, in particular by friction welding or spot welding, by bonding or by brazing.
Le deuxième conduit 21b peut correspondre à un conduit d’aération d’un véhicule automobile dont on veut contrôler la température de l’air, le premier conduit 21a étant alors configuré pour recevoir un liquide de refroidissement, par exemple de l’eau glycolée, pour évacuer la chaleur lorsque l’on veut refroidir la température de l’air du deuxième conduit 21b. Dans ce cas, la température de l’eau glycolée est par exemple comprise entre 0°C et 40°C, de préférence entre 0°C et 10°C avec un débit compris entre 1L/h et 15L/h.The second conduit 21b may correspond to an air vent of a motor vehicle for which the air temperature is to be controlled, the first conduit 21a then being configured to receive a cooling liquid, for example brine, to evacuate the heat when we want to cool the air temperature of the second conduit 21b. In this case, the temperature of the brine is for example between 0°C and 40°C, preferably between 0°C and 10°C with a flow rate of between 1L/h and 15L/h.
Il est également à noter que le module thermoélectrique 1 peut être utilisé aussi bien pour réchauffer que pour refroidir l’air du deuxième conduit 21b. Pour cela, la valeur (positive ou négative) du courant transmis au module thermoélectrique 1 peut être ajustée, par exemple par un circuit de commande et d’alimentation du véhicule automobile. De plus, en mode chauffage, la circulation du liquide de refroidissement dans le premier conduit 21a peut être stoppée.It should also be noted that the thermoelectric module 1 can be used both to heat and to cool the air in the second conduit 21b. For this, the value (positive or negative) of the current transmitted to the thermoelectric module 1 can be adjusted, for example by a control and power supply circuit of the motor vehicle. Furthermore, in heating mode, the circulation of the coolant in the first conduit 21a can be stopped.
D’autres combinaisons de fluides caloporteurs peuvent être utilisés dans le premier 21a et le deuxième 21b conduits comme par exemple deux gaz ou deux liquides.Other combinations of heat transfer fluids can be used in the first 21a and the second 21b conduits, such as two gases or two liquids.
Un tel échangeur thermique 20 permet notamment du fait des matériaux utilisés d’avoir un coût limité. De plus, l’utilisation de couches supports 3a, 3b d’épaisseur réduite et d’éventuels vias 9 permet de transférer efficacement la chaleur entre les plots thermoélectriques 7 et les conduits 21a, 21b.Such a heat exchanger 20 makes it possible in particular, due to the materials used, to have a limited cost. In addition, the use of support layers 3a, 3b of reduced thickness and possible vias 9 makes it possible to efficiently transfer heat between the thermoelectric pads 7 and the conduits 21a, 21b.
Le procédé de fabrication d’un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment va maintenant être décrit à partir de l’organigramme de la
La première étape 101 concerne la fourniture d’une première 3a et d’une deuxième 3b couches supports. Les couches supports 3a et 3b sont par exemple des plaques en matériau polymère, notamment en polyimide (PI) ou en polynaphtalate d’éthylène (PEN), d’une épaisseur inférieure à 200μm, par exemple entre 100μm et 150μm, notamment 120μm.The first step 101 concerns the provision of a first 3a and a second 3b support layers. The support layers 3a and 3b are for example plates of polymer material, in particular polyimide (PI) or polyethylene naphthalate (PEN), with a thickness less than 200 μm, for example between 100 μm and 150 μm, in particular 120 μm.
La deuxième étape 102 est une étape optionnelle et concerne le perçage de trous traversants à des emplacements prédéterminés dans les première et deuxième couches supports 3a, 3b.The second step 102 is an optional step and concerns the drilling of through holes at predetermined locations in the first and second support layers 3a, 3b.
La troisième étape 103 concerne le dépôt d’un ensemble de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sur les couches supports 3a, 3b respectives. Les pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont par exemple en cuivre et le procédé de déposition peut être le même que pour les circuits imprimés.The third step 103 concerns the deposition of a set of conductive metal tracks 5a, 5b on the respective support layers 3a, 3b. The conductive metal tracks 5a, 5b are for example made of copper and the deposition process can be the same as for printed circuits.
La quatrième étape 104 est une étape optionnelle et concerne le dépôt d’une couche de matériau conducteur thermiquement 11 à l’intérieur des trous traversants pour former des vias 9 et dans les zones situées autour des trous traversants ainsi que dans les zones dépourvues de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Des espaces dépourvus de matériau conducteur thermiquement 11 sont ménagés, par exemple autour des pistes métalliques 5a, 5b pour éviter tout contact entre la couche de matériau conducteur thermiquement 11 et les pistes métalliques conductrices 5a, 5b ou à des endroits prédéterminés si la couche de matériau conducteur thermiquement 11 vient en contact avec les pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Ces endroits prédéterminés sont choisis pour permettre les contacts électriques voulus entre les plots thermoélectriques 7 permettant notamment leur mise en série. Le matériau conducteur thermiquement 11 peut être du cuivre et peut être déposé par le même procédé que les pistes métalliques 5a, 5b. La troisième étape 103 et la quatrième étape 104 peuvent être réalisées simultanément. La quatrième étape 104 peut également comprendre le remplissage des vias 9 par un matériau conducteur thermiquement qui peut être le même que celui de la couche 11 et des pistes 5a, 5b, par exemple du cuivre.The fourth step 104 is an optional step and concerns the deposition of a layer of thermally conductive material 11 inside the through holes to form vias 9 and in the areas located around the through holes as well as in the areas devoid of tracks conductive metals 5a, 5b. Spaces devoid of thermally conductive material 11 are provided, for example around the metal tracks 5a, 5b to avoid any contact between the layer of thermally conductive material 11 and the conductive metal tracks 5a, 5b or at predetermined locations if the layer of material thermally conductive 11 comes into contact with the conductive metal tracks 5a, 5b. These predetermined locations are chosen to allow the desired electrical contacts between the thermoelectric pads 7 allowing in particular their connection in series. The thermally conductive material 11 can be copper and can be deposited by the same process as the metal tracks 5a, 5b. The third step 103 and the fourth step 104 can be carried out simultaneously. The fourth step 104 may also include filling the vias 9 with a thermally conductive material which may be the same as that of the layer 11 and the tracks 5a, 5b, for example copper.
La cinquième étape 105 concerne la fixation des plots thermoélectriques 7 sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b de la première et de la deuxième couches supports 3a, 3b. La fixation est par exemple réalisée par brasage. De la pâte à braser 6 est par exemple disposée aux emplacements destinés à recevoir les plots thermoélectriques 7 puis les plots thermoélectriques 7 sont positionnés sur la pâte à braser 6 puis fixés par un recuit de brasage.The fifth step 105 concerns the fixing of the thermoelectric pads 7 on the conductive metal tracks 5a, 5b of the first and second support layers 3a, 3b. The fixing is for example carried out by brazing. Solder paste 6 is for example placed in the locations intended to receive the thermoelectric pads 7 then the thermoelectric pads 7 are positioned on the solder paste 6 then fixed by brazing annealing.
La sixième étape 106 concerne la fixation de fils d’alimentation sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b, par exemple deux fils d’alimentation reliées à une première et une deuxième extrémités de la mise en série de plots thermoélectriques 7 de manière à fournir un courant à l’ensemble des plots thermoélectriques 7 reliés en série. Cette fixation est par exemple réalisée par soudage.The sixth step 106 concerns the fixing of power wires on the conductive metal tracks 5a, 5b, for example two power wires connected to a first and a second end of the series connection of thermoelectric pads 7 so as to provide a current to all of the thermoelectric pads 7 connected in series. This fixing is for example carried out by welding.
La septième étape 107 concerne la formation du premier conduit 21a et du deuxième conduit 21b. Le premier conduit 21a peut être formé par un tube 22 qui est fixé sur la première couche support 3a, par exemple par collage. Le deuxième conduit 21b est par exemple réalisé par un tube 23 qui est fixé sur la deuxième couche support 3b, par exemple par collage.The seventh step 107 concerns the formation of the first conduit 21a and the second conduit 21b. The first conduit 21a can be formed by a tube 22 which is fixed to the first support layer 3a, for example by gluing. The second conduit 21b is for example made by a tube 23 which is fixed to the second support layer 3b, for example by gluing.
Un tel procédé de fabrication permet, de par sa simplicité, une fabrication en grande série d’échangeurs thermiques 20 avec un coût de fabrication réduit du fait des matériaux utilisés. De plus, l’utilisation de couches supports 3a, 3b en matériau polymère d’épaisseur réduite permet d’obtenir des couches supports 3a, 3b flexibles pouvant s’adapter avec des formes de conduits 21a, 21b non planes et pouvant mieux résister aux éventuelles déformations ou vibrations des conduits 21a, 21b sur lesquelles elles sont fixées.Such a manufacturing process allows, due to its simplicity, large series manufacturing of heat exchangers 20 with a reduced manufacturing cost due to the materials used. In addition, the use of support layers 3a, 3b made of polymer material of reduced thickness makes it possible to obtain flexible support layers 3a, 3b which can adapt to non-planar shapes of conduits 21a, 21b and which can better resist possible deformations or vibrations of the conduits 21a, 21b on which they are fixed.
Claims (10)
- une première (3a) et une deuxième (3b) couches supports en matériau polymère,
- un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports,
- un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques (5a, 5b) sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N,
caractérisé en ce qu’au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.Thermoelectric module (1) comprising:
- a first (3a) and a second (3b) support layers made of polymer material,
- a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metal tracks arranged respectively on the first (3a) and the second (3b) support layers,
- a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first (5a) and the second (5b) sets of conductive metal tracks,
in which the sets of metal tracks (5a, 5b) are configured to connect in series the set of thermoelectric pads (7) with an alternation of P-type and N-type pads,
characterized in that at least one of the first (3a) and second (3b) support layers is made of a material having a melting temperature greater than 220°C and has a thickness less than 200μm, in particular between 100μm and 150μm.
- un module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications précédentes,
- un premier conduit (21a) sur lequel est fixée la première couche support (3a) et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit (21b) sur lequel est fixée la deuxième couche support (3b) et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
Heat exchanger (20) comprising:
- a thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims,
- a first conduit (21a) on which the first support layer (3a) is fixed and configured to receive a first heat transfer fluid,
- a second conduit (21b) on which the second support layer (3b) is fixed and configured to receive a second heat transfer fluid.
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2022
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